污泥气化合成气生成特性及其BP神经网络预测模型研究

摘要

发展新型、绿色、环保、资源化的污水污泥处理技术，是我国国民经济发展要求和顺应历史发展潮流的大势所趋。我国城市污水污泥中有机物含量和热值日渐增高，使其具备热化学转化等能源化处理的潜力。本文主要针对污泥水蒸气、水蒸气-空气混合气化合成气生成特性及其预测模型等展开研究，旨在全面分析高产出、低污染的污泥气化工艺特性，为污泥能源化处理装置的工程设计和工业运行提供有价值理论指导。主要研究工作和结论如下:
　　(1)通过污泥水蒸气气化实验研究，着重分析了温度和水蒸气质量与污泥含碳量比（S/C比值）等对气化合成气生成特性以及污泥能源转化效率的影响规律，可以发现:温度对气化合成气特性影响是绝对性的，提高气化温度有利于高品质合成气的生成和污泥能源转化效率的提高。随着温度从650℃增加至1050℃，合成气中H2和CO含量分别增加了12.1％和6.2％， CO2和CH4含量分别降低了4.8％和3.2％;污泥气化冷煤气效率ηl碳转化效率ηc以及有机相转化效率ηv分别增加了近40％、18％和34％;综合考虑气化过程的能耗和产气效率，污泥气化制取富氢合成气最佳温度是850℃左右。S/C比值对合成气生成特性影响是双重的，过大和过小的S/C比值将造成合成气品质和能源转化效率降低，当S/C值为4.74时，合成气产率及热值、氢气含量及其产率、气化冷煤气效率ηl均达到最优值。
　　(2)基于污泥空气气化与水蒸气气化工艺的各自优势，实验分析了污泥空气-水蒸气混合气化合成气生成特性。研究发现:与水蒸气气化相比，不同温度下混合气化H2产率、CO+H2产率、合成气热值及冷煤气效率ηl的最佳值分别为0.38 m3/kg、0.46 m3/kg、6.24 MJ/m3和59％，显著低于水蒸气气化合成气的相应最佳值，但前者能耗低于后者近5 MJ/kg;与热解相比，混合气化合成气品质仍较高，尤其H2产率、合成气热值及冷煤气效率ηl显著高于相同温度下热解气的相应各值。另外，混合气化气化过程中气化介质与污泥样品量比值（Agent/SS）和H2O/O2质量比应严格控制。
　　(3)污泥气化过程主要是自由基生成反应、含氧官能团分解反应、脂肪侧链断裂反应、裂解反应、脱氢反应、加氢反应、缩合等综合热化学反应过程;随着气化温度增加，污泥残渣表面化学结构发生了显著变化，O-H键和N-H键、-CH2和-CH3基团、C=O基团及C-O和C-Har键逐渐消失，而原样污泥中其它基团或键结构在650℃时已基本分解。
　　(4)建立污泥高温水蒸气气化和水蒸气-空气混合气化特性的BP神经网络模型，其中污泥水蒸气气化模型预测精度较高，相对误差小于9％;混合气化预测模型预测精度较差，可通过增加样本量、改善网络等方法提高预测精度。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 污泥热化学转化技术

1．3 污泥气化特性及制氢工艺研究

1．3．1 污泥气化特性研究

1．3．2 污泥气化制氢研究

1．4 气化特性预测模型

1．4．1 BP神经网络预测模型简述

1．4．2 BP神经网络的应用研究进展

1．5 本文研究内容及意义

1．5．1 主要研究内容

1．5．2 研究意义

1．6 本文结构安排

第二章 污泥高温水蒸气气化特性实验研究

2．1 实验部分

2．1．1 污泥样品

2．1．2 气化装置

2．1．3 实验方案设计

2．1．4 气相产物分析

2．2 实验结果与讨论

2．2．1 产物产率

2．2．2 合成气生成规律

2．2．3 温度和S／C值对合成气特性影响

2．2．4 温度与S／C值对污泥气化冷煤气效率的影响

2．2．5 温度与S／C值对污泥中碳及有机相气化转化效率影响

2．3 本章小结

第三章 污泥水蒸气与空气混合气化特性实验研究

3．1 实验部分

3．1．1 污泥样品

3．1．2 气化装置

3．1．3 实验方案设计及数据分析

3．1．4 气相产物分析

3．2 实验结果与讨论

3．2．1 产物分布

3．2．2 合成气特性分析

3．2．3 污泥气化冷煤气效率分析

3．2．4 污泥中碳及有机相气化转化效率分析

3．3 污泥不同热处理方式产气特性对比

3．4 小结

第四章 气化工艺机理分析

4．1 污泥气化残渣表面化学结构分析方法

4．2 污泥主要组分气化反应类型与主要产物生成分析

4．2．1 污泥有机质气化机理

4．2．2 污泥无机物气化机理

4．2．3 污泥气化过程反应类型分析

4．2．4 污泥气化产物成因分析

4．3 污泥气化残渣表面官能团特征分析

4．3．1 污泥原样表面化学结构

4．3．2 温度对污泥气化残渣化学结构影响

4．3．3 气化介质对污泥气化残渣化学结构影响

4．4 气化残渣表面官能团演化规律

4．4．1 官能团演化相关参数计算方法

4．4．2 官能团演化相关参数计算结果及分析

4．5 小结

第五章 污泥气化特性的BP神经网络预测

5．1 BP神经网络介绍

5．1．1 BP神经网络基本结构

5．1．2 BP神经网络的标准学习算法

5．1．3 BP神经网络的缺陷及改进

5．2 污泥气化特性BP神经网络预测模型

5．2．1 节点激励函数的选择

5．2．2 网络训练学习算法的选择

5．2．3 网络参数的设置

5．2．4 网络结构的确定

5．3 网络模型预测结果与分析

5．3．1 污泥高温水蒸气气化特性预测

5．3．2 污泥水蒸气与空气混合气化产气及热值预测

5．4 小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果